专利名称：基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微纳测试领域。特别是涉及一种可实现对包括微力，位移，尺寸，形貌特征等参数在内的微结构几何量的测量和表征的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置。
背景技术：
近些年微纳加工技术的迅速发展，器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小，而其形状结构复杂程度却不断增加，这就对加工过程中几何量的检测手段提出更高的要求。在半导体工业中，要求的器件检测精度已经达到亚微米或者纳米水平，检测对象的范围也扩大到具有特殊或者复杂结构的微器件。这就对具有100nm以下不确定度的测量方法和手段提出了迫切的要求。
目前的检测手段主要有光学测量技术、扫描探针显微技术和坐标测量技术三种，光学测量手段如计算机视觉技术、显微干涉技术、聚焦式测量技术等，由于存在衍射极限，系统的横向分辨率由物镜的数值孔径决定，所以一般在微米量级。这也就决定了它们不能分辨微米以下更细微的形貌特征。同时，光学方法不能测量某些特定的三维形貌，如物体边缘的孔径，物体表面的方向性和相关尺寸等信息，所以并不能实现真正的三维测量。以原子力显微镜和扫描隧道显微镜为代表的扫描探针技术利用微观效应，检测控制针尖和样品表面的微电流和微力的大小，对样品表明进行扫描，获得样品的形貌特征和表面特性，具有纳米级的分辨力，但很容易受到测量环境的干扰，并因此对测量结果产生较大的影响，同时扫描探针显微技术的测量范围只有几十个微米，很大地限制了微结构测量的样品范围，此外，对于较大深宽比的微结构等特殊结构也无法进行测量。坐标测量技术就是以传统的坐标测量机为测量平台，结合触发式或者模拟式测头对被测工件进行检测，但传统的坐标测量技术的检测精度只能达到微米或者几百纳米，已经不能满足微纳加工技术迅速发展的测量的要求。
因此，具有大范围、高精度，开发研究用于测量三维尺寸、位置和其他形貌特征的坐标测量方法和相应的装置，成为微器件和微结构测试领域的主要研究工作。这类研究主要包括两部分的内容，一是对于具有大范围、高精度的坐标定位仪器的开发；二是对高精度、微尺寸传感器的研究和开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现对包括微力，位移，尺寸，形貌特征等参数在内的微结构几何量的测量和表征的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置。
本发明所采用的技术方案是一种基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，包括有作为定位测量平台的纳米测量机，还设置有能够对微器件和微结构的几何量进行测量的基于压阻检测的微触觉测头系统，所述的微触觉测头系统是通过设置在纳米测量机上部的固定支架被固定在纳米测量机的上部。
所述的作为定位测量平台的纳米测量机包括有电控部分；用于放置被测物体的玻璃载物台；排列符合阿贝测量原理的X方向干涉仪、Y方向干涉仪、Z方向干涉仪，以及支撑X方向干涉仪、Y方向干涉仪、Z方向干涉仪的零膨胀支架；分别设置在纳米测量机计量学框架上的并与电控部分相连的两个角度传感器。
所述的微触觉测头系统为三维微接触式测头系统，包括有由框架、中心连接体、一端与框架相连另一端与中心连接体相连的梁组成的悬挂结构，以及由连接座、形成在连接座上端的测杆和形成在测杆端部的测端组成的测头构成，其测头的连接座固定设置在悬挂结构的中心连接体上。
所述的中心连接体包括有中心连接块和固定在中心连接块上的定位连接块，定位连接块的中心部形成有与测头的连接座直径相同的内螺纹孔，在测头的连接座下端部形成与内螺纹孔相匹配的外螺纹，测头的连接座与定位连接块通过内螺纹孔和外螺纹连接。
所述的中心连接体的中心部设置有定位环，定位环的内径与测头的连接座的外径相同，测头的连接座镶嵌在定位环内。
所述的悬挂结构选用四梁结构、八梁结构、三角形结构、边缘梁结构、对角梁结构、中心对角梁结构中的一种。
所述的测头系统中测端的轴向位移检测采用电容和压阻相结合的方式，具体结构是在悬挂结构未安装测头的那一面上连接有电容背板，电容背板通过导线与电控部分的信号输入端相连接。
所述的测头系统还可以采用三维检测的压阻排布和电桥检测方式，具体结构是在悬挂结构的4个梁上分别设置有电阻，使每个测量方向采用4个电阻差动检测，同时根据压阻排布设置有惠斯通全桥电路，惠斯通全桥电路的输入端接电源，输出端与电控部分的信号输入端相连接。
本发明的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，克服了以原子力显微镜和扫描隧道显微镜为代表的扫描探针显微技术在测量范围上的局限性，拓展了光学测量等其他测量手段的测量对象的范围，实现对包括微力、位移、尺寸、形貌特征等参数在内的微结构几何量的测量和表征。解决了在微加工制造和微结构测试领域对几何量测量的方法和装置的迫切需求。同时，本发明在传统坐标测量技术的基础上提高了测量的精度，将测量范围延展到微观领域。
图1是本发明的微结构几何量测量装置的结构示意图；图2是本发明的微触觉测头系统结构示意图；图3是本发明微触觉测头系统分解结构示意图图4是本发明在悬挂结构表面设置定位环的结构示意图；图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f是本发明微触觉测头系统六种悬挂结构的结构示意图；图6是本发明电容与压阻检测结合的结构示意图；图7是本发明悬挂结构上电阻分布的结构示意图；图8a、图8b、图8c是图7中三轴压阻检测惠斯通全桥电路原理图；图9是本发明的微结构空间坐标测量示意图；图10是本发明的微结构形貌特征扫描测量示意图。
其中1X方向干涉仪 2Y方向干涉仪3Z方向干涉仪 4零膨胀支架5微触觉测头系统6接触点7固定支架 8玻璃载物台9中心连接体10梁11框架 12测端13测杆 14连接座15测头 16内螺纹孔17外螺纹 18定位环19悬挂结构 20电容背板21被测物 22移动平台23电阻具体实施方式
下面结合实施例对本发明的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置做出详细说明。
本发明的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，包括有作为定位测量平台的纳米测量机，还设置有能够对微器件和微结构的几何量进行测量的基于压阻检测的微触觉测头系统5，所述的微触觉测头系统5是通过设置在纳米测量机上部的固定支架7被固定在纳米测量机的上部。
如图1所示，所述的作为定位测量平台的纳米测量机为高精度、大范围的纳米测量机，包括有电控部分；用于放置被测物体的玻璃载物台8；发出的光分别从X、Y、Z三个方向聚集在微触觉测头系统5与被测物体的接触点6上的排列符合阿贝测量原理的X方向干涉仪1、Y方向干涉仪2、Z方向干涉仪3，以及支撑X方向干涉仪1、Y方向干涉仪2、Z方向干涉仪3的零膨胀支架4；分别设置在纳米测量机计量学框架上的并与电控部分相连的两个角度传感器。从而实现计量性的定位和测量。
如图2所示，所述的微触觉测头系统5为三维微接触式测头系统，包括有由框架11、中心连接体9、一端与框架11相连另一端与中心连接体9相连的梁10组成的悬挂结构19，以及由连接座14、形成在连接座14上端的测杆13和形成在测杆13端部的测端12组成的测头15构成，其测头15的连接座14固定设置在悬挂结构19的中心连接体9上。
其中，测杆和测端作为位移传递单元，悬挂结构中的梁作为敏感检测单元。测端的位移传递到悬挂结构的中心连接体，引起悬挂结构中的敏感元件梁/膜的应力发生变化，并通过后面所要叙述的分布在敏感元件上的压阻检测出应力的变化。
如图3所示，所述的中心连接体9包括有中心连接块9a和固定在中心连接块9a上的定位连接块9b，定位连接块9b的中心部形成有与测头15的连接座14直径相同的内螺纹孔16，在测头15的连接座14下端部形成与内螺纹孔16相匹配的外螺纹17。其中，内螺纹孔16是采用微加工技术，在定位连接块9b的中心部开孔，然后利用超精密加工技术加工螺纹套。测头15的连接座14与定位连接块9b通过内螺纹孔16和外螺纹17连接。实现了测杆13的自定位和在中心连接体9表面的对中，提高了定位的垂直度和测杆13的定位精度。
如图4所示，所述的中心连接体9的中心部设置有定位环18，定位环18是利用微加工方法在中心连接体9的表面刻成的环。定位环18的内径与测头15的连接座14的外径相同，测头15的连接座14镶嵌在定位环18内。提高了测杆与悬挂结构粘和时的定位准确性。即，提高了测杆的定位精度。
如图5a～图5f所示，所述的悬挂结构19可以选用四梁结构、八梁结构、三角形结构、边缘梁结构、对角梁结构、中心对角结构。
其中四梁和八梁结构基本类似，应力分布线性度好，测试信号之间的耦合较小，但八梁结构的刚度更小；三角形悬挂结构采用了折梁设计，折梁可以通过调整粗杆的参数使三轴刚度相等，同时具有最高的安全系数和较均匀的应力分布，但是由于测试信号之间的耦合严重，不太适合多维测量；边缘梁结构测试信号之间的相互干扰最小，检测灵敏度和应力分布与四梁结构类似；对角梁在外框架尺寸固定的情况下可以获得较长的梁，但是由于加工造成的角度的影响，压阻不能排布在应力变化最大的区域，从而降低了检测灵敏度；而中心对角梁的梁长最短，安全系数最低，不适合大量程测量。由此，需要根据不同的测试需求，选用适合的悬挂结构。
如图6所示，所述的测头系统5中测端的轴向位移检测采用电容和压阻相结合的方式，减了少轴间信号耦合。具体结构是在悬挂结构19的中心连接体9未安装测头15的那一面上连接有电容背板20，构成电容检测结构，电容背板20通过导线与电控部分的信号输入端相连接。当测端受到轴向负载的时候，中心连接体有相应的位移，电容发生变化，实现对测端沿着测杆的轴向运动的检测，通过与压阻检测的轴向测量结果的对比，减少了测量过程中的轴间耦合问题。有效地解决了平面位移和轴向位移信号的耦合问题。
如图7、图8a、图8b、图8c所示，所述的测头系统5还可以采用三维检测的压阻排布和电桥检测方式，具体结构是在悬挂结构19的4个梁10上分别设置有电阻，共设置有12个压阻，使每个测量方向采用4个电阻差动检测，获得了较高的测量灵敏度，并减小不同方向测试信号之间的干扰。同时根据压阻排布设置有惠斯通全桥电路，惠斯通全桥电路的输入端接电源S，输出端A与电控部分的信号输入端相连接。这种排布结构在测头受到某一个方负载的时候，另外两个轴的检测电阻不发生变化，而该方向检测电阻的变化成两两相反的趋势，通过惠斯通全桥电路输出差动信号，实现了压阻的差动检测，获得了较高的测量灵敏度，并减小不同方向测试信号之间的干扰，以及温度气压等环境变化的干扰。
如图9所示，本发明的坐标测量的一个实施例，通过纳米测量机的电磁驱动器和压电陶瓷驱动器，以最小1nm的步距令载物台沿着三个方向微动，载物台上固定的被测样品接触到测端的时候，中心连接体发生平动和转动，使梁发生弯曲，梁上的压阻发生变化，惠斯通电桥的输出电压也发生相应的变化，变化的幅度和施加的位移约束成正比。利用纳米测量机三个方向激光干涉仪读出的载物台位移变化，建立其测端偏移/电压输出的关系，实现结构的几何量测量功能。
如图10所示，本发明的微结构形貌扫描测量一个实施例，与微结构坐标测量不同的是，当测头和被测样品接触的时候，测头只检测Z轴的负载变化，通过测定好的测端偏移/电压输出关系，设定一个测端和样品接触到一定程度下测头输出电压的阈值，并将这个值放大到10V后反馈给纳米测量机，使纳米测量机控制载物台运动，使测头和被测物的接触程度保持不变。在此基础上，控制纳米测量机运动，对被测物进行扫描并记录每个扫描点的坐标，然后用软件重现出被测物体的表明形貌，实现对被测物的形貌表征。
本发明中所使用的纳米测量机是现有的公知的纳米测量机。
本发明为了叙述准确、方便，悬挂系统均以四梁结构为例进行详细描述，但四梁结构、三角形结构、边缘梁结构、对角梁结构、中心对角结构、八梁结构等悬挂结构同样适用与构建类似的压阻式微接触测头以及微结构三维几何量测试系统，均在发明范围之内。本发明对公开和揭示的所有组合和方法可通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合和方法已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本申请所述的方法和装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。
权利要求
1.一种基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，包括有作为定位测量平台的纳米测量机，还设置有能够对微器件和微结构的几何量进行测量的基于压阻检测的微触觉测头系统(5)，所述的微触觉测头系统(5)是通过设置在纳米测量机上部的固定支架(7)被固定在纳米测量机的上部。
2.根据权利要求1所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的作为定位测量平台的纳米测量机为高精度、大范围的纳米测量机，包括有电控部分；用于放置被测物体的玻璃载物台(8)；发出的光分别从X、Y、Z三个方向聚集在微触觉测头系统(5)与被测物体的接触点(6)上的排列符合阿贝测量原理的X方向干涉仪(1)、Y方向干涉仪(2)、Z方向干涉仪(3)，以及支撑X方向干涉仪(1)、Y方向干涉仪(2)、Z方向干涉仪(3)的零膨胀支架(4)；分别设置在纳米测量机计量学框架上的并与电控部分相连的两个角度传感器。从而实现计量性的定位和测量。
3.根据权利要求1所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的微触觉测头系统(5)为三维微接触式测头系统，包括有由框架(11)、中心连接体(9)、一端与框架(11)相连另一端与中心连接体(9)相连的梁(10)组成的悬挂结构(19)，以及由连接座(14)、形成在连接座(14)上端的测杆(13)和形成在测杆(13)端部的测端(12)组成的测头(15)构成，其测头(15)的连接座(14)固定设置在悬挂结构(19)的中心连接体(9)上。
4.根据权利要求3所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的中心连接体(9)包括有中心连接块(9a)和固定在中心连接块(9a)上的定位连接块(9b)，定位连接块(9b)的中心部形成有与测头(15)的连接座(14)直径相同的内螺纹孔(16)，在测头(15)的连接座(14)下端部形成与内螺纹孔(16)相匹配的外螺纹(17)，测头(15)的连接座(14)与定位连接块(9b)通过内螺纹孔(16)和外螺纹(17)连接。实现了测杆13的自定位和在中心连接体9表面的对中，提高了定位的垂直度和测杆13的稳定程度。
5.根据权利要求3所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的中心连接体(9)的中心部设置有定位环(18)，定位环(18)的内径与测头(15)的连接座(14)的外径相同，测头(15)的连接座(14)镶嵌在定位环(18)内。提高了测杆的定位精度。
6.根据权利要求3所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的悬挂结构(19)选用四梁结构、八梁结构、三角形结构、边缘梁结构、对角梁结构、中心对角梁结构中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的测头系统(5)中测端的轴向位移检测采用电容和压阻相结合的方式，具体结构是在悬挂结构(19)未安装测头(15)的那一面上连接有电容背板(20)，电容背板(20)通过导线与电控部分的信号输入端相连接。有效地解决了平面位移和轴向位移信号的耦合问题。
8.根据权利要求1所述的基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，其特征在于，所述的测头系统(5)还可以采用三维检测的压阻排布和电桥检测方式，具体结构是在悬挂结构(19)的4个梁(10)上分别设置有电阻，共设置有12个压阻，使每个测量方向采用4个电阻差动检测，获得了较高的测量灵敏度，并减小不同方向测试信号之间的干扰。同时根据压阻排布设置有惠斯通全桥电路，惠斯通全桥电路的输入端接电源，输出端与电控部分的信号输入端相连接，输出差动信号并减少温度气压等环境变化的干扰。
全文摘要
本发明公开一种基于纳米测量机和微触觉测头的微几何量测量装置，包括有作为定位测量平台的纳米测量机，还设置有能够对微器件和微结构的几何量进行测量的基于压阻检测的微触觉测头系统，所述的微触觉测头系统是通过设置在纳米测量机上部的固定支架被固定在纳米测量机的上部。本发明克服了以原子力显微镜和扫描隧道显微镜为代表的扫描探针显微技术在测量范围上的局限性，拓展了光学测量等其他测量手段的测量对象的范围，实现对包括微力、位移、尺寸、形貌特征等参数在内的微结构几何量的测量和表征。解决了在微加工制造和微结构测试领域对几何量测量的方法和装置的迫切需求。本发明提高了测量的精度，将测量范围延展到微观领域。
文档编号G01B7/02GK1975322SQ20061012981
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者栗大超, 李源, 赵大博, 傅星, 胡小唐 申请人:天津大学